Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту

Актуальність теми. Найгострішою проблемою сьогодення, від вирішення якої залежить економічне виживання України, є стабільне забезпечення її енергоресурсами. Потреба нашої країни в нафтопродуктах, за різними оцінками, складає 24–28 млн тонн у рік, тож забезпечити себе такою кількістю держава може в основному за рахунок імпорту (80–90 %).
Один із напрямів розв’язання цієї проблеми – освоєння альтернативних джерел енергії. Найперспективнішим нетрадиційним джерелом енергії є рослинні олії та тваринні жири, які можуть застосовуватися в різних галузях промисловості: хімічній, фармацевтичній, харчовій, у медицині, парфумерії. Понад 150 видів олієвмісних рослин в усьому світі – це єдиний шанс, який дає змогу регіонам самостійно, на місцевому рівні, вирішувати енергетичні питання.
Використанню традиційних і нових нетрадиційних рослин як джерел одержання олій для хімічної промисловості й біологічно активних речовин для фармації та харчової промисловості присвячено низку наукових публікацій. Однією з таких рослин є амарант, властивості якого протягом останніх двадцяти років досліджувалися у багатьох роботах. Особливу увагу привертає використання олій із рослинної сировини для виготовлення біодизельного палива.
Процеси екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини, з точки зору механізму та кінетики процесу, є досить складними, оскільки включають як внутрішню, так і зовнішню дифузії. Внутрішня дифузія є найповільнішою (лімітуючою) стадією процесу, тому розрахунок процесів екстрагування пов’язаний із труднощами, які виникають під час визначення кінетичних констант.
Беручи до уваги перспективу розробки безвідходної технології для вилучення олії з насіння амаранту в промислових масштабах, важливим завданням є визначення оптимальних умов процесів екстрагування для одержання максимальної кількості вилучених цільових компонентів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри промислової екології Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0194U0295586); плану науково-дослідної роботи кафедри органічної та біологічної хімії Волинського національного університету імені Лесі Українки з проблеми “Виділення та встановлення будови фізіологічно-активних природних сполук”; плану науково-дослідної роботи кафедри хімічної інженерії Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Тепло- та масообмін в системі тверде тіло – рідина – газ”.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення механізму та кінетики процесу екстрагування цільових компонентів (олії) з насіння амарантів для розробки теоретичних основ процесу екстрагування. Для досягнення цього необхідно вирішити такі основні завдання: проаналізувати літературні дані, встановити фізико-хімічні характеристики цільових компонентів, дослідити механізм вилучення цільових компонентів з метою визначення лімітуючої стадії процесу, вивчити кінетичні закономірності процесу екстрагування, розробити математичні моделі процесу екстрагування, які б дали можливість прогнозувати процес у реальних умовах, запропонувати технологічну схему процесу.
Об’єкт дослідження: насіння амаранту мітлистого (Amaranthus cruentus L.), амаранту хвостатого (Amaranthus caudatus L.), а також насіння щириці звичайної (Amaranthus Retroflexus L.).
Предмет дослідження: механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини.
Методи дослідження: визначаючи фізико-хімічні характеристики олій, використовували процес екстрагування під час занурення, об’ємний і гравіметричний аналіз, газорідинну та тонкошарову хроматографію; досліджуючи процеси екстрагування, механізму та кінетики процесу, використовували математичне моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів. Визначено склад цільових компонентів та хімічні характеристики амарантової та щирицевої олій; уточнено механізм екстрагування (лімітуючу стадію) та кінетичні закономірності процесу; розроблено математичні моделі процесу екстрагування на основі фізичних моделей зерна, перевірено їх на адекватність; встановлено умови найбільш ефективного вилучення цільових компонентів (температурний режим, діаметр частинок зерна, екстрагент та ін.); визначено константи екстрагування, знання яких необхідне для прогнозування процесу екстрагування в умовах виробництва.
Практичне значення одержаних результатів. Під час теоретичних та експериментальних досліджень розроблено та запропоновано технологічні схеми одержання олії з насіння амаранту в умовах безперервного та періодичного процесів.
Удосконалено методики для визначення фізико-хімічних характеристик та складу цільових компонентів із рослинної сировини.
Запропоновано новий спосіб отримання олії, захищений деклараційним патентом України на корисну модель.
Особистий внесок здобувача. Вивчення літературних джерел, розробку методик досліджень, аналіз і обговорення отриманих результатів виконано автором спільно з науковим керівником, доктором технічних наук, професором Є.М. Семенишиним. Експериментальні дослідження з визначення фізико-хімічних характеристик амарантової та щирицевої олій і складу основних цільових компонентів проведено здобувачем самостійно під керівництвом кандидата хімічних наук, доцента Д.І. Проца. Експериментальні дослідження процесу екстрагування рослинних олій з метою встановлення лімітуючої стадії та кінетичних закономірностей процесу виконано автором самостійно. Технологічні схеми одержання амарантових олій в умовах періодичного та безперервного процесів розроблено здобувачем спільно з кандидатом технічних наук, доцентом В.І. Троцьким.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Волинського державного університету імені Лесі Українки у 2001–2005 рр., на другій Всеукраїнської конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”, м. Київ, 2001 р., на ХІХ Українській конференції з органічної хімії, м. Львів, 2001 р., на Українській конференції з неорганічної хімії за участю зарубіжних учених, м. Ужгород, 2004 р., на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Біотехнологія. Освіта. Наука”, м. Львів, 2004 р., на ХІ Міжнародній науковій конференції „Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних виробництв”, м. Одеса, 2006 р., на Міжнародній науково-практичній конференції школи-семінару “Підвищення енергетичної ефективності харчових і хімічних виробництв”, м. Одеса, 2007 р., ІV науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості”, м. Львів, 2007 р.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей у фахових журналах, 5 тез доповідей на наукових конференціях, одержано деклараційний патент України на корисну модель.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури, який включає 120 джерел, та трьох додатків. Вона викладена на 140 сторінках тексту (з них 11 – у додатках) і містить 42 рисунки, 29 таблиць і 2 фото (у додатках).